Действие силы трения: от полезного действия до возникающих проблем и способах их решения

Трение — это сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого и направленная вдоль поверхности касания противоположно движению.

Трение возникает там, где мы о нем даже не подозреваем. Причиной возникновения трения служат неровности соприкасающихся поверхностей. Из-за трения кинетическая энергия тел превращается в теплоту. В рамках школьной программы трение изучают в 7 классе. Данный материал послужи отличным дополнением для внеклассного

  • От полезного действия трения до источника износа
  • Трение покоя
  • Добывание огня с помощью трения
  • Скольжение и качение
  • Подшипники и их применение для снижения трения
  • Смазка для снижения трения
  • Действие трения в тормозах

Действие силы трения

Предисловие

На земные объекты действует несколько сил, которые тесно взаимосвязаны между собой и влияют на жизнедеятельность тел. Прежде всего, это сила тяжести, упругости (внутреннее сопротивление тел в ответ на смещение их молекул) и реакции опоры. Но есть еще она очень важная физическая величина, называемая силой трения. Она в отличие от силы тяготения и упругости не зависит от расположения тел. При ее изучении действуют иные законы: коэффициент трения скольжения и сила реакции опоры. Например, если понадобится сдвинуть тяжеловесный шкаф, то с первой же минуты станет понятно, что сделать это непросто. Кроме того, при выполнении данной задачи присутствуют определенные помехи. Что же препятствует усилиям, приложенным к шкафу? А мешает этому не что иное, как сила трения, принцип действия которой изучают еще в школе. Курс физики за 7 класс подробно рассказывает об этом явлении.

вред и польза силы трения

Подшипники и их применение для снижения трения

Подшипники, это устройства, которые служат в качестве опор для движущихся частей и позволяют уменьшить трение. Подшипники применяются в машинах и механизмах, в том числе автомобилях и велосипедах, в электродвигателях и роликовых коньках.

Подшипники для уменьшения трения

Подшипники одного типа позволяют валу вращаться в неподвижном корпусе, другие подшипники позволяют вращаться деталям на неподвижном валу. Если бы не было подшипников, то трение тормозило бы движение, приводило бы к большим тепловым потерям и вызывало повышенный износ соприкасающихся поверхностей.

Учебный видеофильм времен СССР о подшипниках скольжения и качения

Обычный подшипник качения состоит из внутреннего и внешнего металлических колец. Кольца разделены рядом шариков (шариковые подшипники) либо рядом цилиндрических или конических роликов (роликовые подшипники), перекатывающихся по канавкам и кольцам. Высококачественные подшипники работают так мягко, что потери на трение составляют менее 1% энергии, потребляемой механикой.

Причины возникновения

Первая из причин заключается в неизменной шероховатости поверхностей. Именно этот показатель влияет на то, какой вид силы трения будет иметь место. Если речь идет о гладких поверхностях, например, о покрытой металлом крыше или о ледяных участках, то их шероховатость почти не видна, однако это не значит, что ее нет – она присутствует на микроскопическом уровне. В этом случае будет действовать сила трения скольжения. Но если говорить о шкафе, стоящем на ковре, то здесь шероховатости двух объектов будут значительно препятствовать взаимному движению. Второй причиной является электромагнитное молекулярное отталкивание, которое происходит в месте контакта объектов.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Связь между силой тяжести и массой тела: динамометр. Следующая тема: Трение в природе, быту и технике: еще больше ПРИМЕРОВ
Что такое трение? Трение — процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде. По-другому называется фрикционным взаимодействием. Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией. Трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным «источником» трения являются фононы, а коэффициент трения может уменьшиться в несколько раз.

Сила трения Сила трения — это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей. Сила трения зависит от материала трущихся поверхностей и от того, насколько сильно эти поверхности прижаты друг к другу.

Разновидности силы трения При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:

Трение скольжения Сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.

Трение качения Момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого.

Трение покоя Сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микро перемещениях контактирующих тел.

Характер фрикционного взаимодействия В физике взаимодействие трения принято разделять на: Сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками; Граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) — наиболее распространённый случай при трении скольжения. Смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения; Жидкостное (вязкое), при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины — как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды; Эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

Вред трения в технике и природе В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали; Проблема перемещения больших грузов; Проблема изнашивания трущихся поверхностей, а также невозможность создания вечного двигателя, так как из-за трения любое движение рано или поздно останавливается, требуя постоянного стороннего воздействия; Получение ушибов и ссадин в результате трения о твёрдую поверхность; Расходуется много горючего.

Вред трения в технике и природе

Польза трения в технике и природе Лианы, хмель, горох, бобы и другие вьющиеся растения благодаря трению могут цепляться за находящиеся поблизости опоры, удерживаются на них и тянутся к свету; Чтобы увеличить сцепление с грунтом, стволами деревьев, на конечностях животных имеется целый ряд различных приспособлений: когти, острые края копыт, подковные шипы, тело пресмыкающихся покрыто бугорками и чешуйками; Автомобиль может тормозить; Человек может ходить по земле; Одежда не разваливается, так как нитки в ткани удерживаются; Приводит в движение детали различных механизмов, которое в дальнейшем приводит к движению самих этих механизмов и машин (генератор, конвейер предприятия, станок, движущая машина и др.)

Польза трения в технике и природе

Вывод Сила трения играет огромную роль не только в технике, но и в живой природе. Без силы трения животные и люди не смогли бы передвигаться, а растения не смогли бы распространять семена. Без силы трения вся живая природа не смогла бы существовать.

Сила трения встречается буквально на каждом шагу. Но знают ли люди, зачем она нужна? В чем вред и польза силы трения? Попробуем разобраться.

Научное обоснование

Для того чтобы передвинуть шкаф, необходимо приложить к нему силу, которая превзойдет трение. То есть до тех пор, пока применяемые усилия меньше показателя силы трения, мебель останется на месте. Помимо указанных факторов, есть еще сила реакции опоры, которая направленна перпендикулярно плоскости. Она зависит от материала, из которого сделан пол (здесь задействована также сила упругости). Также существует коэффициент трения, зависящий от того, из чего состоят обе поверхности, взаимодействующие друг с другом. Поэтому сила трения, действующая на шкаф, равняется коэффициенту трения, который умножается на силу реакции опоры (поверхности).

вред и польза силы трения

Положительные моменты

Среди примеров полезности этой силы то, что мы можем спокойно ходить по земле, не поскальзываясь на каждом шагу, наша одежда прочно сидит и мгновенно не приходит в негодность, поскольку нити ткани удерживаются благодаря трению. Кроме того, люди используют принцип действия этой силы, посыпая скользкие дороги, из-за чего удается избежать множества аварий и травм.

Водитель, который не мог отважиться, не остановил машину в безопасном месте. Эта проблема начала решаться в 50-е годы, с добавлением поршня с вакуумным приводом, который умножал силу, приложенную ногой на педаль. По-прежнему оставалась проблема перегрева, что внезапно уменьшило силу трения гидравлических тормозов. Это было бы решено с появлением дисковых тормозов, первоначально созданных для самолета.

Сохранившиеся по сей день на передней оси автомобилей, они действуют давлением из таблетки на металлический диск, прикрепленный к колесам. Они не перегреваются, потому что позволяют переднему воздуху транспортного средства проходить через диски. Это значительно уменьшило внезапные сбои, а также пространство, необходимое для торможения. Но в течение многих лет на территории автомобильной физики продолжалось нападение на врага: потеря контроля при внезапном торможении, особенно на мокрой трассе. «В аварийных ситуациях средний водитель обычно наступает на тормоза, блокируя колеса», — объясняет Лехфельд.

Трение скольжения

Итак, чтобы пересилить трение, мы попросили кого-нибудь нам помочь сдвинуть шкаф с места. Что мы обнаружили? Что после того, как мы приложили силу, которая превысила силу трения покоя, шкаф не только сместился, но и некоторое время продолжал двигаться в необходимую сторону, разумеется, с нашей помощью. А потраченные усилия были примерно одинаковы в течение всего пути. В этом случае нам препятствовала сила трения скольжения, направленная в противоположную от приложенного воздействия сторону. Стоит заметить, что ее сопротивление гораздо ниже, нежели у силы трения покоя. Чтобы снизить этот показатель, при необходимости применяются различные смазочные материалы.

Действие трения в тормозах

Для того чтобы уменьшить трение и двигаться с минимальной затратой усилий, в транспортных средствах применяют подшипники. Но иногда необходимо резко снизить скорость, для чего на колесах устанавливают тормоза, развивающие большую силу трения. При работе тормозная колодка из теплостойкого материала, прижимается к стальному барабану или диску на колесе. Трение между тормозами вращающимся колесом преобразует кинетическую энергию в теплоту, и скорость транспортного средства падает. Теплота быстро рассеивается в окружающем воздухе.

Велосипедные тормозные колодки обычно состоят из 2 двух накладок из специального фрикционного полимера или просто резины, укрепленных на концах рычагов. Рычаги в свою очередь шарнирно присоединены к раме велосипеда. Если потянуть за тросик, рычаги поворачиваются на шарнире, и тормозные колодки с силой прижмутся к ободу колеса. Когда тормоза отпущены, тормозные колодки не касаются обода. Когда нажимают на тормоз, колодки с обоих сторон прижимаются к ободу. Трение между колодками и ободом замедляет скорость и преобразует кинетическую энергию энергию велосипеда в теплоту.

Сила трения качения

Если мы вспомним, что когда-нибудь придется двигать шкаф обратно, то решим оснастить его колесиками. В этом случае возникающее взаимодействие будет называться трением качения, поскольку предмет уже будет не скользить, а катиться по поверхности. Катящиеся колесики будут немного вдавливаться в ковер, образовывая бугорок, который нам необходимо будет преодолеть. Этим и обуславливается сила трения качения. Разумеется, если мы покатим шкаф не по ковру, а, например, по паркету, то переместить его будет еще легче, за счет того, что поверхность паркета тверже поверхности ковра. По той же причине велосипедистам ехать по шоссе куда проще, чем по пляжу с мелким песком.

польза трения

Неоднозначный вопрос

В чем состоит вред и польза силы трения любого типа? Разумеется, приведенные примеры несколько утрированы — в жизни все немного сложнее. Однако несмотря на то, что сила трения имеет очевидные минусы, создающие ряд сложностей в жизни, ясно, что без нее проблем было бы гораздо больше. Поэтому у данной величины есть свои недостатки и преимущества.

Но для лысых шин, работающих под дождем, значение резко падает, иногда до 0, Чтобы уравновесить, мы должны уменьшить инерцию, понизив скорость. Хотя высокая скорость является самым большим источником беспокойства, это не просто выход из ускорителя, что вы избегаете несчастных случаев. «Когда вы увеличиваете мощность автомобилей, необходимо улучшить устройства безопасности», — говорит инженер Гилберто Лехфельд, консультант Национального института безопасности дорожного движения. Тормоза, например, до Второй мировой войны были основаны на неустойчивых гидравлических системах, полных механических элементов.

Трение — это друг или враг

Силы трения сопровождают нас повсюду, принося ощутимый вред и… огромную пользу. Вообразим, что исчезло трение. Изумленный наблюдатель увидел бы: как рушатся горы, сами по себе выкорчевываются из земли деревья, ураганные ветры и морские волны бесконечно властвуют над землей. Все тела сползают куда-то вниз, транспорт разваливается на отдельные детали, поскольку болты без трения не выполняют свою роль, невидимый безобразник развязал бы все шнурки и узлы, мебель, не удерживаемая силами трения, сползла в самый низкий угол комнаты.

Попытаемся убежать, спастись от этого хаоса, но без трения не сможем сделать, ни шагу. Ведь именно трение помогает нам при ходьбе отталкиваться от земли. Теперь понятно, почему зимой скользкие дороги посыпают песком….

И в то же время иногда трение наносит значительный вред. Люди научились уменьшать и увеличивать трение, извлекая из него огромную пользу. Например, для перетаскивания тяжелых грузов придумали колеса, заменив трение скольжение — качением, которое, значительно меньше трения скольжения.

Шины велописеда преодолевают трение скольжения.

Потому, что катящемуся телу не приходится цеплять множество мелких неровностей поверхности, как при скольжении тел. Затем снабдили колёса шинами с глубоким рисунком (протекторами).

А вы заметили, что все шины резиновые и чёрные?

Оказывается, резина хорошо удерживает колеса на дороге, а уголь, добавляемый в резину, придает ей чёрный цвет, нужную жёсткость и прочность. Кроме того, позволяет при авариях на дороге, измерить тормозной путь. Ведь при торможении резина оставляет четкий чёрный след.

След протекторных шин на дороге.

При необходимости уменьшить трение, используют смазочные масла и сухую графитовую смазку. Замечательным изобретением явилось создание разного вида шарикоподшипников. Их применяют в самых различных механизмах от велосипеда до новейшего самолёта.

Приведите примеры,когда трение является полезным и когда оно является вредным?

Елена зеленцова

Полезные: сила трения резины автомобильного колеса об асфальт, колеса поезда о металл рельса, сила трения пенькового каната о металл при швартовке судна, сила сцепления ниток друг с другом и тканью при пришивании пуговиц, трение подошвы ботика о землю при ходьбе, сила трения покоя, благодаря которой книги, ручки и пр. могут лежать на наклонной поверхности. Вредные: трение песчинок о металл внутри подшипника, трение скольжения коньков о лед должно быть как можно меньше, трение механизмов дверного замка уменьшают путём графитовой смазки.

T!M

Вот, если бы не было трения, то ты бы съехал (а) со стула на пол, потом заскользил бы по полу, скользил бы по стенам и т. д. и так не только с тобой, но и со всеми окружающими предметами. Т. к. этого не происходит, следовательно, это полезное трение. А вот, например, в механизмах (автомобили, станки и т. д. и т. п. ) трение приводит к износу — это вредно)))

Виктор Лыско

Опытным путём установлено, что сила трения зависит от силы давления тел друг на друга (силы реакции опоры), от материалов трущихся поверхностей, от скорости относительного движения. Так как никакое тело не является абсолютно ровным, сила трения не зависит от площади соприкосновения, и истинная площадь соприкосновения гораздо меньше наблюдаемой; кроме того, увеличивая площадь, мы уменьшаем удельное давление тел друг на друга. Величина, характеризующая трущиеся поверхности, называется коэффициентом трения, и обозначается чаще всего латинской буквой {\displaystyle k} k или греческой буквой {\displaystyle \mu } \mu . Она зависит от природы и качества обработки трущихся поверхностей. Кроме того, коэффициент трения зависит от скорости. Впрочем, чаще всего эта зависимость выражена слабо, и если большая точность измерений не требуется, то {\displaystyle k} k можно считать постоянным. В первом приближении величина силы трения скольжения может быть рассчитана по формуле: {\displaystyle F=kN} {\displaystyle F=kN} {\displaystyle k} k — коэффициент трения скольжения, {\displaystyle N} N — сила нормальной реакции опоры.

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: